坡地建筑地下室利用高差的抗浮設計研究

廖文彬

(廈門中福元建筑設計研究院 福建廈門 361009)

引 言

隨著城市用地緊張，在坡地上建筑越來越多，尊重自然原始地貌，減少挖填、依山而建的的綠色建筑理念已成為建筑師共識，因此，在坡地上建筑地下室隨室外地面形成一側全埋逐漸過渡到另一側敞開的工程越來越多(圖1)，這種非全埋式地下室利用主體結構做擋墻，不再單獨設置擋墻，節約場地，利于管理使用，也減少了場地開挖，與大自然更融合。

圖1 坡地建筑非全埋式地下室

坡地場地地下水水位順山勢從高往底呈梯度變化，一般勘察報告提供的抗浮水位為建筑四周地面下0.5m～1.0m，因此坡地建筑地下室底板水浮力也呈梯度變化，在坡地高處的抗浮水位高于坡度低處，抗浮水位高造成抗拔樁或抗拔錨桿多、底板配筋大，基礎和地下室造價增加，如果利用場地高差，讓坡地高處的地下水在重力下自然從低處流走，降低抗浮設計水位，將會明顯節約造價，也是一個很好的綠色技術設計。

由于節約造價明顯，現在越來越多的工程利用場地高差，采用設置排水疏導系統進行降低抗浮水位設計，但由于排水疏導系統設計涉及巖土、給排水、市政等專業內容，目前沒有相關規程，也沒有成熟的圖集可用，由結構專業設計完成的排水疏導降低抗浮水位設計常?？紤]不全面，存在不足，留下安全隱患，應引起重視，因設計不當導致建造時雖然節省造價但在使用時由于存在問題導致加固改造的勞民傷財案例很多，全國各地目前每年都發生不少地下室上浮導致地下室梁板開裂的案例。

1 排水疏導系統設計

圖2所示利用場地高差的排水疏導設計:采取在高出建筑周邊最低地面的地下室外側土層設置盲溝，并將盲溝水接入室外地面下的市政排水系統，整個地下室抗浮設計水位取建筑周邊最低地面下0.5m～1.0m或者市政排水系統標高，該設計將高出抗浮設計水位的水頭利用盲溝排水疏導流走，這種設計在小地下室(如別墅)可以，但在地下室較大時，地下水會繞過盲溝排水溝產生底板揚壓，對底板并未減少上浮水壓力，產生安全隱患(圖2)。從該例可以看出，利用場地高差的排水疏導設計，并不是在地下室高側周邊設置盲溝這么簡單，排水疏導系統設計是一個需要考慮建筑使用壽命期內安全使用的系統設計，它包括地下室周邊及底板的疏排水系統、與市政管網排水系統的連接、日常檢查與管理維護、監測預警系統、應急抽排水措施等內容，涉及建筑、結構、巖土、給排水、電氣、市政等多專業配合協調。

圖2 較大地下室繞流產生的底板揚壓

1.1 地下室周邊及底板的疏排水系統

地下室周邊及底板的疏排水系統包括抗浮水位選取、排水量計算、排水管設計、盲溝設計等內容。

疏排水設計降低高處的地下水水位，地下水的降低會對排水影響區域內的建筑物、道路、管線等產生不利影響，因此必須進行降水對周邊環境影響進行評估，在排水不會影響的區域才可以應用。

降低抗浮設計水位就是降低作用在地下室底板上的浮托力(揚壓力)，如前面所敘，地下室底板存在地下水繞過盲溝排水溝產生的底板揚壓，使底板承受超過設計的不均勻楊壓力，要消除該不均勻楊壓，達到設計希望的降低的地下室底板浮托力，通常采用的方法是在地下室底板設置盲溝或排水板并與地下室外墻盲溝或暗溝相通(圖3)，形成一個地下水連通系統，那么地下室的底板所受水壓力就可以按照常規的流體靜力學確定。

圖3 地下室周邊及底板的疏排水常用做法

抗浮水位的選取主要考慮因素為周邊環境排水能力，應考慮周邊較大范圍內的地形地貌、場地道路標高、市政管網排水系統等，排水量的計算應考慮與建筑設計使用合理年限相匹配，一般建筑為50年。中國每年都有城市被淹的報道，事實表明中國城市市政管網排水系統能力偏低，不能滿足極端氣侯下大暴雨考驗。實際上，城市市政管網排水系統是按照主次干網設計，大量的建筑位于小區道路或次干道邊，這些道路的市政雨水管大部分僅只能應對2～3年一遇的暴雨，極端氣侯下大暴雨下路面常常被淹，基于以上分析，除非是依據十分充分的具有抗至少50年一遇暴雨能力的排洪溝等，否則降低后的抗浮水位只能取建筑周邊低處室外地面標高，不能取市政排水口的標高作為降低后的抗浮水位。

設計對地下室基坑的回填土密實度按規范要求大于0.94，但實際工程中由于回填空間狹小，施工操作困難，基本達不到規范要求，許多甚至十分松散，成為地面水下滲的通道，其滲透系數一般遠大于基坑邊原狀土，因此排水量計算取原狀土滲透系數按《建筑基坑支護技術規程》公式進行計算，用于排水管和盲溝設計是明顯偏小的，設計應按暴雨下地表水通過回填土下滲水量計算，其值遠遠大于基坑側向排水量。按《建筑基坑支護技術規程》公式計算的排水量為原狀土的滲水量，可以用于降水對周邊環境影響分析。

盲溝設計一般采用卵礫石，盲溝必需用土工布包裹防止砂土顆粒流入淤塞，據巖土專家介紹，土工布在土里使用壽命50年以上沒問題，為保證局部抗浮要求，底板盲溝宜每個開間設置且盲溝互通，也可以整個底板鋪設200mm厚卵石層(外裹土工布)。

1.2 與市政管網排水系統的連接

設計應查清市政管網排水系統的位置、標高、直徑大小等情況，地下室疏排水系統接入市政管網排水系統的連接應設置防止市政雨水倒灌措施，如鴨嘴閥門等。

1.3 日常檢查與管理維護

利用場地高差的排水疏導設計，降低了抗浮設計水位，減少了地下室結構的向上水浮力，涉及到結構安全問題，因此排水疏導系統必須考慮建筑使用壽命期內能夠正常使用，如果發生淤積堵塞，不能降低抗浮設計水位，那么地下室在大于設計的浮托力下，必然發生地下室上浮、開裂、傾斜，地下室進水浸泡，其造成的損失和影響是巨大的，近年來不時發生的極端氣侯大暴雨下城市被淹，就是很好的警示，因此排水疏導設計應考慮使用后的日常檢查與管理維護，設計中應設置檢查豎井，豎井應設鐵爬梯供維修檢修用，設計中應提出日常檢查與管理維護要求。

1.4 監測預警系統(水壓力傳感器、流量計、監控報警等)

由于排水疏導系統在地下室底板下和外墻土體中，無法目測檢查，因此必須借助預埋的水壓力傳感器、流量計等設備，接入有日常值班的消控中心進行監控，預設定抗浮設計水位預警值，超過預警值自動發出報警聲。

1.5 應急抽排水措施

由于涉及結構安全問題，而建筑使用壽命期長，極端氣侯大暴雨頻繁，排水疏導系統在地下土中無法臨時搶修，因此排水疏導設計應設置應急抽排水措施如應急減壓管系統、應急抽水泵等，確保結構的安全。

2 工程案例

廈門某工程，地上由多棟高層住宅樓組成，西北側地下室五層，東南側地下室二層。場地原始地貌為殘丘坡地，場地地勢起伏較大，總體地勢呈東南低、西北高。西北側路面標高(黃海高程)18.5～16.2 m，東南側路面標高(黃海高程)為6.50m，西北側與東南側的高差約12m，地下室底板標高為黃海高程－4.400～－5.100m。根據勘察報告，地下室抗浮設防水位標高按場地周邊道路設計標高以下1.0m考慮。設計采用排水疏導系統進行降低抗浮水位設計，底板下排水疏導系統由縱橫交叉布置的排水板(包裹土工布)組成，地下室四周設置暗溝，并與底板下排水疏導系統相連通，暗溝頂設置豎井并通過橫向連接管(黃海高程4.00m)與市政管網連接(該管底高程為黃海高程1.600m，管徑為800mm)，與市政管網連接處設置鴨嘴閥門，防止市政雨水倒灌。排水疏導系統按抗浮水位降至黃海高程4.00m處設計，實際設計抗浮水位取6.00m(2m的水頭差值作為安全儲備)。設計在底板下布設孔隙水壓力傳感器，并在排水系統末端設置流量計，以監測系統運營情況，同時布設應急減壓管，通過橫管及豎管給合接至主干道排水系統處。

3 平地建筑采用主動排水降低抗浮水位設計探討

地下室位于隔水層位置的平地建筑，考慮地下水補給量少，利用地下室底板的集水坑與底板下地下水連通，在集水坑設置抽水泵，將集水坑的地下水排出地下室，使地下室底板下的水位保持在底板以下，從而達到降低抗浮水位的目的。與利用高差的排水疏導方法相比，主動排水降低抗浮水位設計雖然增加了日常水泵運營及管理費用，但在地下水補給量少的情況下，比設置抗拔樁或抗拔錨桿的常規設計仍然節省造價，因此不少工程也采取該方法。

值得探討的是，主動排水降低抗浮水位設計的安全性完全依靠水泵的抽排水能力，取決于水泵的正常工作率，而水泵的正常工作率在于業主的物業管理能力，還要考慮日后物業產權易手、管理能力變動的風險，因此，在經常暴雨成災的南方地區，該方法應該十分慎重。著名的香港匯豐銀行大廈，4層地下室，地下室四周采用1m厚伸入基巖的地下連續墻(墻腳注漿止水)作為止水帷幕，在正常使用階段滲入止水帷幕以內的水量不大，最初曾考慮采取主動排水措施，經與業主溝通，認為在正常使用階段，在物業管理方面遇到的問題較大，最后采用永久性巖石抗浮錨桿。

4 結語

坡地建筑利用場地高差進行排水疏導設計，降低了抗浮設計水位，能夠節約材料和造價，是一種很好的綠色技術設計。排水疏導系統設計應考慮建筑使用壽命期內安全使用的各方面內容設計:

(1)地下室周邊及底板的疏排水系統設計，包括抗浮水位選取、排水量計算、排水管設計、盲溝設計等內容。抗浮水位的選取由周邊環境排水能力決定，應考慮周邊較大范圍內的地形地貌、場地道路標高、市政管網排水系統等;排水量計算應按暴雨下地表水通過回填土下滲水量計算。

(2)與市政管網排水系統的連接應設置防止市政雨水倒灌措施。

(3)設計應設置檢查豎井等供檢修用的設施，并提出日常檢查與管理維護要求。

(4)由于排水疏導系統在地下土中，無法目測檢查，因此需設計監測預警系統。

(5)由于排水疏導系統在地下土中無法臨時搶修，因此設計應設置應急抽排水措施。

(6)考慮目前的物業管理能力，在雨水多的南方地區，平地建筑不建議采用主動排水降低抗浮水位措施。

[1]葉書程 淺談坡地建筑的抗浮設計[J].廣東土木與建筑，2012(7).

[2]汪四新，屈娜某坡地建筑地下室抗浮問題綠色技術處理方法[J].建筑技術，2012，43(10).